【正文】 y162。1. 電光強(qiáng)度調(diào)制利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實(shí)現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。 電光調(diào)制利用電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制。這種調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字激光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。即用一組等幅度、等寬度的脈沖作為“碼子”，用“有”脈沖和“無”脈沖分別表示二進(jìn)制數(shù)碼的“1”和“0”。⑶編碼。量化就是把抽樣后的脈幅調(diào)制波作分級(jí)取“整”處理，用有限個(gè)數(shù)的代表值取代抽樣值的大小。按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號(hào)的最高頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)原信號(hào)。抽樣就是把連續(xù)信號(hào)波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定的脈沖列來表示，且脈沖列的幅度與信號(hào)波的幅度相對(duì)應(yīng)。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過程：抽樣、量化和編碼。脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和脈沖位置調(diào)制等。即先用模擬調(diào)制信號(hào)對(duì)一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，如圖3所示。它們一般是先進(jìn)行電調(diào)制，再對(duì)光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩波，統(tǒng)稱為模擬調(diào)制。光束調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制形式，這是因?yàn)榻邮掌饕话愣际侵苯禹憫?yīng)其所接收的光強(qiáng)。顯然，若調(diào)制信號(hào)不是單頻余弦波，則其頻譜將更為復(fù)雜。因?yàn)檫@兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角y(t)的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。如果調(diào)制信號(hào)是一復(fù)雜的周期信號(hào)，則調(diào)幅波的頻譜將由載頻分量和兩個(gè)邊頻帶組成。若調(diào)制信號(hào)是一時(shí)間的余弦函數(shù)，即 ()調(diào)幅波的表達(dá)式為 ()調(diào)幅波的頻譜為 ()頻譜由三個(gè)頻率成分組成，第一項(xiàng)是載頻分量，第二、三項(xiàng)是稱為邊頻分量，如圖1所示。光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。內(nèi)調(diào)制是指加載信號(hào)是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號(hào)改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。既然光束具有振幅、頻率、相位、強(qiáng)度和偏振等參量，如果能夠應(yīng)用某種物理方法改變光波的這些參量之一，使其按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，那么激光束就受到了信號(hào)的調(diào)制，達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。其中激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號(hào)。1. 基本要求（1）掌握光束調(diào)制原理，包括電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的原理、實(shí)現(xiàn)方法和特點(diǎn)及應(yīng)用；（2）熟練掌握光束掃描的原理，包括機(jī)械掃描、聲光掃描、電光掃描的原理和實(shí)現(xiàn)方法和器件結(jié)構(gòu)；（3）了解空間調(diào)制器的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。⑶采用如圖3所示的距離選通技術(shù)。措施如下：⑴適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無規(guī)則偏振的后向散射和有規(guī)則偏振的目標(biāo)反射。3. 后向散射光脈沖光發(fā)射光接收目標(biāo)關(guān)光接收關(guān)后向散射光光發(fā)射光接收關(guān)光發(fā)射光接收開圖3 光學(xué)距離選通示意圖水下傳輸光束的另一個(gè)特點(diǎn)就是后向散射較前向散射強(qiáng)烈得多。前向散射使光束傳輸距離明顯增大，傳輸距離越遠(yuǎn)，前向散射光的貢獻(xiàn)就越大。前向散射包含復(fù)雜的散射過程，如圖2所示。遠(yuǎn)海區(qū)海水清潔，衰減距離較長(zhǎng)，近海岸區(qū)海水混濁，衰減長(zhǎng)度大為減小。如果取P0=106W，P=1014W，其作用距離可達(dá)500m，其作用距離僅為80m。這說明藍(lán)光比紅光在水中的傳輸性能要好得多。藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱該波段為“水下窗口”。習(xí)慣上用衰減長(zhǎng)度L0表示水下傳播光束衰減的大小，定義L0=1/e(m)。1. 傳播光束的衰減特性單色平行光束在水中傳播的衰減規(guī)律也近似服從指數(shù)規(guī)律 ()e是散射和吸收的衰減系數(shù)。而電磁波的衰減一般都很嚴(yán)重，以致在陸地上廣為應(yīng)用的無線電波和微波在水下幾乎無法應(yīng)用。這時(shí)相位匹配條件為 ()欲使，則要求。如果選兩個(gè)基頻波（w）分別為o光和e光，倍頻波為e光，稱為II類匹配，用o+e174。若，總會(huì)存在一個(gè)角度q I，使。e表示。負(fù)單軸晶體（none）角度相位匹配為例簡(jiǎn)要說明相匹配的原理。在實(shí)際光學(xué)倍頻和混頻應(yīng)用中，為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，要考慮相位匹配條件。0時(shí)，相位因子小于1，稱為相位失配。倍頻的光強(qiáng)為 ()為有效非線性系數(shù)。當(dāng)w1=w2=w，w3=2w 時(shí)，就是倍頻過程。三波耦合方程組中只剩下頻率為w3光波的一個(gè)方程: ()設(shè)非線性介質(zhì)長(zhǎng)為L(zhǎng)，在入射端z=0處，E3=0，得 ()可用光強(qiáng)表示為 ()這是和頻過程。⑴ 光混頻及光倍頻的轉(zhuǎn)換效率仍考慮三波耦合過程，并設(shè)由頻率為w1和w2的光波混頻產(chǎn)生w3=w1+w2頻率的光波。可得到三波耦合方程 ()不同頻率的光波在非線性介質(zhì)中，可以發(fā)生能量的互相轉(zhuǎn)移，這種能量的相互轉(zhuǎn)移是通過非線性介質(zhì)的有效非線性電極化率ceff來耦合的。（為光波偏振分量的單位矢量）隨傳播距離的變化關(guān)系為 ()這就是描述光波在非線性介質(zhì)內(nèi)彼此間產(chǎn)生參量互作用的基本關(guān)系式——耦合波方程。把非線性激勵(lì)項(xiàng)作為一種微擾處理。w2的電磁波，這就是非線性光學(xué)中的倍頻、和頻以及差頻等光學(xué)效應(yīng)。w2的分量。一般用微擾法對(duì)方程逐級(jí)近似求解。這種與光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)通常稱為非線性光學(xué)效應(yīng)。顯然有 ()因此，fc稱為光纖的3dB光帶寬。實(shí)驗(yàn)表明光纖的頻率響應(yīng)特性H(f)近似為高斯型，如圖232所示。單模光纖色散的起因有下列三種：材料色散、波導(dǎo)色散和折射率分布色散。 ①光纖的色散 光纖的色散會(huì)使脈沖信號(hào)展寬，即限制了光纖的帶寬或傳輸容量。光纖中尚存在所謂布里淵和拉曼散射損耗。 ②散射損耗由于光纖制作工藝不完善，例如有微氣泡或折射率不均勻以及有內(nèi)應(yīng)力，光能在這些地方會(huì)發(fā)生散射，使光纖損耗增大。石英在紅外波段內(nèi)吸收較小，是優(yōu)良的光纖材料。 ①吸收損耗 材料吸收損耗是一種固有損耗，不可避免。3. 光束在光纖波導(dǎo)中的衰減和色散特性⑴光纖的衰減若Pi、Po分別為光纖的輸入、輸出光功率，L是光纖長(zhǎng)度。在非均勻介質(zhì)中，光線的軌跡是彎曲的。可以證明，自聚焦透鏡的焦距（焦點(diǎn)到主平面的距離）f為 ()f隨z的變化如圖5所示， z=L/4時(shí)，f=fmin。自聚焦透鏡的特點(diǎn)是尺寸很小，可獲得超短焦距，可彎曲成像等。一段L/4（L=2p/W）長(zhǎng)的自聚焦光纖與光學(xué)透鏡作用相似，可以會(huì)聚光線和成像。⑵漸變折射率光纖平方律折射率分布光纖的n(r)可表示為 () ①平方律梯度光纖中的光線軌跡由光纖理論可以證明子午光線軌跡按正弦規(guī)律變化 ()PQrn(r)qznrtPQrn(r)nrt2PQrt(a)rt1rt2(b)rqj(r)(c)圖4 漸變折射率分布光纖纖芯內(nèi)光線的路徑及其在纖芯橫截面上的投影 (a) 子午光線路徑；(b) 斜射光線路徑；(c) 投影和角向間的夾角qj(r)式中r0、W由光纖參量決定。因此，若有一個(gè)光脈沖在入射端激發(fā)起各種不同角度的導(dǎo)引光線，那么由于每根光線經(jīng)過的光程不同，就會(huì)先后到達(dá)終端，從而引起光脈沖寬度的加寬，稱為光脈沖的彌散。在圓柱界面上一點(diǎn)A處所有可能的入射光線可分為三部分：非導(dǎo)引光線（折射光線）、導(dǎo)引光線和泄漏光線（隧道光線）。(a)j0OO162。），在光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光線演變?yōu)橐粭l與圓柱表面相切的螺線，兩個(gè)散焦面重合。顯然，隨著入射角q1的增大，內(nèi)散焦面向外擴(kuò)大并趨近為邊界面。在弱到條件下 ()② 斜射光線當(dāng)入射光不過光纖軸線時(shí)，傳導(dǎo)光將不在一個(gè)平面內(nèi)，這種光線稱為斜射光線。設(shè)光線從折射率為n0的介質(zhì)通過波導(dǎo)端面中心點(diǎn)入射，進(jìn)入波導(dǎo)后按子午光線傳播。① 子午光線當(dāng)入射光線通過光纖軸線，且入射角q1大于界面臨界角時(shí)，光線將在柱體界面上不斷發(fā)生全反射，形成曲折回路，而且傳導(dǎo)光線的軌跡始終在光纖的主截面內(nèi)。⑴ 階躍光纖中光波的傳播Prn2n1n2n1P(a)rtqjPQqjPrn2n1Q(b)圖2 階躍折射率光纖纖芯內(nèi)的光纖路徑 (a) 子午光線的鋸齒路徑；(b) 偏斜光線的螺旋路經(jīng)及其在纖芯橫截面上的投影光纖可視為圓柱波導(dǎo)，在圓柱波導(dǎo)中，光線的軌跡可以在通過光纖軸線的主截面內(nèi)，如圖2(a)所示，也可以不在通過光纖軸線的主截面內(nèi)，如圖2(b)所示。一般介質(zhì)波導(dǎo)截面上的折射率分布用指數(shù)型分布表示為 ()2. 光束在光纖波導(dǎo)中的傳播特性射線理論的基礎(chǔ)是光線方程 ()：空間光線上某點(diǎn)的位置矢量，s：該點(diǎn)到光線到原點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度，：折射率的空間分布。光纖的弱導(dǎo)特性是光纖與微波圓波導(dǎo)之間的重要差別之一。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由纖芯、包層和護(hù)套三部分組成。本節(jié)討論光波在光纖波導(dǎo)中的傳播的傳播性質(zhì)。由此可見，偏振態(tài)是z的周期函數(shù)，周期為p/s。磁致旋光現(xiàn)象的這一性質(zhì)表明它是一種非可逆過程。當(dāng)外磁場(chǎng)由螺管電流產(chǎn)生，則旋光方向總是和螺線繞向一致。磁致旋光方向和磁場(chǎng)的方向有關(guān)。當(dāng)磁化強(qiáng)度較弱，B與H為線性關(guān)系，即m=m0為常量。引進(jìn)等效介電系數(shù)張量 ()當(dāng)磁場(chǎng)反向時(shí)，d 的符號(hào)也要反號(hào)，即 ()假設(shè)磁場(chǎng)沿z軸方向，取磁光介質(zhì)中傳播的平面波為 ()式中l(wèi)x、ly、lz為光波矢的方向余弦。本節(jié)討論磁光效應(yīng)的物理起因及其光束在磁光介質(zhì)中的傳播的基本規(guī)律，但僅限于介紹法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)傳播光束的影響。 可見：①若Ps確定，要使衍射光強(qiáng)盡量大，則要求選擇M2大的材料，并要把換能器做成長(zhǎng)而窄（即L大H?。┑男问?；②當(dāng)Ps足夠大，使達(dá)到p/2時(shí)，I1/Ii＝100%；③當(dāng)改變Ps時(shí)，I1/Ii也隨之改變，因而通過控制Ps（即控制加在電聲換能器上的電功率）就可以達(dá)到控制衍射光強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。當(dāng)入射光強(qiáng)為Ii時(shí)，布喇格聲光衍射的0級(jí)和1級(jí)衍射光強(qiáng)的表達(dá)式可分別寫成 ()。只有入射角qi等于布喇格角qB時(shí)，在聲波面上衍射的光波才具有同相位，滿足相干加強(qiáng)的條件，得到衍射極值，上式稱為布喇格方程。3162。和2162。3162。 2162。因此，利用布喇格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+1級(jí)（或1級(jí)）衍射光，這是布喇格衍射的特點(diǎn)，如圖5所示。由于光波與聲波場(chǎng)作用，各級(jí)衍射光波將產(chǎn)生多普勒頻移，應(yīng)有考慮到聲束的寬度，則當(dāng)光波傳播方向上聲束的寬度L滿足條件，才會(huì)產(chǎn)生多級(jí)衍射，否則從多級(jí)衍射過渡到單級(jí)衍射。衍射光場(chǎng)強(qiáng)度各項(xiàng)取極大值的條件為 ()各級(jí)衍射的方位角為 ()各級(jí)衍射光的強(qiáng)度為 ()由于，故各級(jí)衍射光對(duì)稱地分布在零級(jí)衍射光兩側(cè)，且同級(jí)次衍射光的強(qiáng)度相等。+q/2q/2kiL/2cos1l+L/2xd=xlksqy圖4垂直入射情況設(shè)寬度為q的光波垂直入射寬度為L(zhǎng)聲波柱，如圖4所示。即通過光密部分的光波波陣面將延遲，而通過光疏部分的光波波陣面將超前，于是通過聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個(gè)折皺曲面，如圖3所示。(1)拉曼納斯衍射產(chǎn)生拉曼納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長(zhǎng)度L較短時(shí)，在光波通過介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對(duì)靜止的“平面相位柵”。超聲駐波形成的折射率變化為 ()若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。由于聲速僅為光速的數(shù)十萬分之一，所以對(duì)光波來說，運(yùn)動(dòng)的“聲光柵”可以看作是靜止的。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。這如同一個(gè)光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng)ls。例如，在z向加電場(chǎng)的橫向運(yùn)用中，略去自然雙折射的影響，求得半波電壓為 ()可見(L/d)越小，Vp 就越小，這是橫向運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)。相位差只和V=EzL有關(guān)。在沒有外加電場(chǎng)時(shí)，入射光的兩個(gè)偏振分量通過晶后其偏振面已轉(zhuǎn)過了一個(gè)角度，這對(duì)光調(diào)制器等應(yīng)用不利，應(yīng)設(shè)法消除。這里不再一一介紹，請(qǐng)感同學(xué)們自行討論。分量為 z分量為 兩偏振分量的相位延遲分別為因此，當(dāng)這兩個(gè)光波穿過晶體后將產(chǎn)生一個(gè)相位差 ()在橫向運(yùn)用條件下，光波通過晶體后的相位差包括兩項(xiàng)：第一項(xiàng)與外加電場(chǎng)無關(guān)，是由晶體本身自然雙折射引起的；第二項(xiàng)即為電光效應(yīng)相位延遲。相應(yīng)的折射率分別為和。=0）后即分解為沿x162。z平面入射，E矢量與z軸成45176。z切割晶體，如圖。圖 z向電場(chǎng)作用下KDP晶體的橫向運(yùn)用⑵ 橫向應(yīng)用如果沿z向加電場(chǎng)，光束傳播方向垂直于z軸并與y（或x）軸成45176。分量為